提起黑洞,人们首先想到的人物大概是霍金。的确,霍金为黑洞物理的研究做出了巨大贡献,又撰写了不少影响及销量极大的科普著作,进行了多次公众演讲,获得了很高的公众声望。事实上,在黑洞物理这个前沿领域还有许多具有同样原创思想但在公众中尚不知名的研究者,贝肯斯坦(J. Bekenstein)就是其中杰出的一位。
贝肯斯坦1947年生于墨西哥,犹太人,在美国完成大学到博士的教育,1974年回到“祖国”以色列(其父母是波兰犹太人,后移民墨西哥)工作,直到2015年去世。贝肯斯坦生前获得许多学术荣誉,包括朗道奖(1981)、威兹曼奖(2011)、沃尔夫奖(2012)、爱因斯坦奖(2015)等。
贝肯斯坦1969年本科毕业于美国布鲁克林综合技术学院,后只用三年时间就在普林斯顿大学取得博士学位,导师惠勒(J.Wheeler)教授。惠勒在20世纪物理学的两大主题引力论和量子论两方面都有意义深远的创见,指导了许多杰出的学生,贝肯斯坦便是其中之一。
惠勒指导学生的方式有玻尔的风格,承袭苏格拉底、亚里士多德的传统,主要以谈话的方式寻找师生共同感兴趣的课题。
贝肯斯坦一入学,惠勒就同他进行了两个多小时长谈,惠勒说通常认为引力在基本粒子物理中不起作用,但如果有一个能放大1035倍的放大镜,就能看到空间充满了泡沫和浪花,从而很可能对粒子物理有很重要甚至是至关紧要的影响。贝肯斯坦仔细思考了这些想法,但他发现很难用方程定量的描述这些想法。又过了一阵子,惠勒再次跟贝肯斯坦聊天,这次谈及的是贝肯斯坦将要大显身手的课题——黑洞。
惠勒说,把一本书或者一个苹果扔进黑洞,宇宙中的熵就减少了,因此违反了热力学第二定律,这怎么可能?贝肯斯坦答道,因为黑洞也有熵,而且黑洞的熵可能就是视界面积。惠勒对贝肯斯坦的答案非常欣赏。很短的时间内,贝肯斯坦就写出了一篇论文,推测黑洞也有熵,且正比于其视界面积。这是一篇黑洞热力学奠基性的工作,但在当时反响平平,很多人甚至认为这个想法很荒唐。贝肯斯坦不为所动,坚持自己的观点。
事实证明他是对的,1975年霍金发表黑洞辐射的文章后此文越发显得熠熠生辉。
贝肯斯坦熵及熵界为理解这个工作,我们先解释一些基本概念。黑洞,正如这个名字所暗示的,第一“黑”,即不发光;第二“洞”,即物体掉进去就出不来。黑洞是现代引力论——广义相对论的概念。但在直观意义上粗略的理解它,在牛顿引力论中也可以做到。
牛顿曾经设想过,水平抛出一块石头,初速度越大,它的落点就离出发点越远,当初速度达到一定程度(7.9公里每秒),它就不再落下来,而是环绕地球运转,变成一颗人造卫星,这在今天已经做到了(考虑到空气阻力等实际情况,卫星的发射速度要大于这个第一宇宙速度)。如果速度更大,就能挣脱地球引力变成太阳的一颗人造行星,如果速度更大就能挣脱太阳的引力而逃离太阳系,这就是先锋号现在的情形。
光的速度虽然很大,但也是个有限数。于是引力足够大的星星就能够把光也拉住,使得这颗星在远处看起来是暗的,这就是黑洞最初的名字“暗星”。在1800年左右英国的米歇尔和法国的拉普拉斯都根据牛顿引力论和光的粒子说做出这个预言。按照这个预言,如果把太阳压缩到一个半径三公里左右的球内,那么光就不能从这个区域内逃出。请注意这个数值,它跟后来广义相对论的结果精确相等,但这只是个巧合。
此后一百余年间,这个惊人的预言没受到多少重视。因为科学家在不久便发现光用波来描述更合适,建立在光的粒子说上的暗星就被尘封了。光的本性从牛顿时代开始就有粒子说和波动说的争论。直到20世纪我们才确认光具有波粒二象性,而表现出的粒子性或者波动性依赖于我们做何种探测。光可以说既是波又是粒子,或者说既不是经典波也不是经典粒子,本质上是量子客体。我们将看到贝肯斯坦的论证会用到光的波动性。
贝肯斯坦在1981年又提出贝肯斯坦熵界的概念,指出某个空间区域的最大熵就是坍缩成黑洞的熵。如今,黑洞熵已经被视作打开量子引力之门的一把钥匙,是各种量子引力论的试金石。如果你提出一个新的量子引力论,人们往往会问,能解释黑洞熵吗?这些都受惠于贝肯斯坦的宝贵思想。
1984年后,贝肯斯坦致力于将MOND(Modified Newtonian dynamics)理论推广到相对论形式。
经过30多年探索,终于在2006年得到张量-向量-标量理论。我们这里也做一个简介。MOND理论由贝肯斯坦的同胞—以色列物理学家麦尔葛如幕(M. Milgrom)在1983年提出。最初形式为牛顿理论一种修正,且能解释星系旋臂的剩余旋转问题。在距离星系中心比较远的地方,星系物质已经十分稀薄,除了个别发光指示物此处可以看作是真空。
按照牛顿理论,这些发光指示物绕星系旋转的线速度应该与距星系中心距离的负二分之一次方成正比下降。但对几乎所有能观测到发光指示物线速度的星系,这些发光指示物的线速度都几乎与离星系中心的距离无关。这个问题早在1930年前后已经明确,它通常可由暗物质理论来解释。就是说,星系中除了发光的物质还存在大量不发光的暗物质,而正是暗物质造成发光指示物的旋转线速度比预期的要快。
麦尔葛如幕提出,如果假设牛顿理论在加速度很小的时候有一个修正,F=ma → F=ma2 (a < a0 =1.2×10-10米/秒平方),那么剩余旋转问题可以得到完满解决,而且精度比暗物质理论好,也不用每次都假定一个不同的暗物质分布。但是,无论MOND多么成功,它也只是牛顿理论的一个修正,并不能应用于整个宇宙的情形。因此,需将其推广到相对论形式。然而,这一推广并不简单。
贝肯斯坦得到的张量-向量-标量理论相当复杂,有数个自由参数,还有一个自由函数。虽然,该推广理论的预言能力相对较弱,但贝肯斯坦自己认为这也是其一生中最重要的工作之一。笔者也曾用贝肯斯坦熵的理论,及进一步引入最近熵力的概念,得到了MOND理论的宇宙学推广。这种推广能够同时解释暗物质和暗能量,还指出了a0的宇宙学本质。具体内容就不再详细解说。
斯人已去,他留给后人的宝贵财富如贝肯斯坦熵、熵界及张量—向量—标量理论等将在今后的理论探索中继续发挥重要影响。特别是,贝肯斯坦作为奠基人之一的黑洞热力学如今已相当成熟,而且在许多最新进展如引力/规范对应中都起到了至关紧要的作用。更为重要的是,他的黑洞熵是我们寻找物理学的圣杯——量子引力理论征途上的一盏指路明灯。在未来的研究中,全世界的研究者将更加深切地体会到他的研究成果的重要意义。